[모두를 위한 딥러닝 시즌2] Lab-06 Softmax Classification
[모두를 위한 딥러닝 시즌2] Lab-06 Softmax Classification
Softmax
Import
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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
# For reproducibility
torch.manual_seed(1)
Discrete Probability Distribution
- 이산적인 확률 분포
- 주사위, 가위바위보, 동전 던지기
Softmax
- 이산적인 확률 분포를 바탕으로 다음 행동을 예측 (패턴)하는 머신러닝을 수행함
- 확률 분포를 신경망(Neural Network, NN) 또는 선형 모델(Linear Model)을 이용해 근사
- Max값을 Soft하게 뽑아줌
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# softmax 미적용
z = torch.FloatTensor([1, 2, 3])
# max = (0, 0, 1)
hypothesis = F.softmax(z, dim=0)
print(hypothesis)
# tensor([0.0900, 0.2447, 0.6652])
0.09 = \frac {e^1}{e^1 + e^2 + e^3}
hypothesis.sum() # softmax 값의 합
# tensor(1.) # 1이 나온다
$0.09 = \frac {e^1}{e^1 + e^2 + e^3}$의 값을 확인 가능
Cross Entropy
\[H(P, Q) = -\mathbb{E}{x \sim P(x)}[\log Q(x)] = -\sum{x \in \mathcal{X}} P(x) \log Q(x)\]- 확률분포 P에서 x를 샘플링
- 샘플링한 x를 Q에 넣음
- log를 씌운 값의 평균을 구함
Q2 → Q1, Q1 → P 로 갈 수 있도록 (근사) 크로스 엔트로피를 최소화시키는것이 중요
Low-level Implementation
Cross Entropy Loss (Low-level)
크로스 엔트로피의 Loss 수식
- $y = P(x)$ (실제 값)
- $\hat{y} = Q(x) = \mathbb{P}{\theta}(x)$
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z = torch.rand(3, 5, requires_grad=True) # 3, 5 rand
hypothesis = F.softmax(z, dim=1) # 두번째 dim(행)에 대해 softmax
print(hypothesis)
# tensor([[0.2645, 0.1639, 0.1855, 0.2585, 0.1277],
# [0.2430, 0.1624, 0.2322, 0.1930, 0.1694],
# [0.2226, 0.1986, 0.2326, 0.1594, 0.1868]], grad_fn=<SoftmaxBackward>)
y = torch.randint(5, (3,)).long() # 임의로 만든 정답
print(y)
# tensor([0, 2, 1]) == 0.2645, 0.1986, 0.2322
y_one_hot = torch.zeros_like(hypothesis) # |y_one_hot| = (3, 5)
y_one_hot.scatter_(1, y.unsqueeze(1), 1) # |y| = (3,) , y.unsqueeze(1) = (3,1)
print(cost)
# tensor([[1., 0., 0., 0., 0.],
# [0., 0., 1., 0., 0.],
# [0., 1., 0., 0., 0.]])
cost = (y_one_hot * -torch.log(hypothesis)).sum(dim=1).mean()
print(cost)
# tensor(1.4689, grad_fn=<MeanBackward1>)
Cross Entropy Loss with torch.nn.runctional
pytorch는 softmax, log_softmax를 제공
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# Low level
torch.log(F.softmax(z, dim=1))
# tensor([[-1.3301, -1.8084, -1.6846, -1.3530, -2.0584],
# [-1.4147, -1.8174, -1.4602, -1.6450, -1.7758],
# [-1.5025, -1.6165, -1.4586, -1.8360, -1.6776]], grad_fn=<LogBackward>)
# High level
F.log_softmax(z, y)
# tensor([[-1.3301, -1.8084, -1.6846, -1.3530, -2.0584],
# [-1.4147, -1.8174, -1.4602, -1.6450, -1.7758],
# [-1.5025, -1.6165, -1.4586, -1.8360, -1.6776]], grad_fn=<LogBackward>)
(y_one_hot * -torch.log(F.softmax(z, dim=1))).sum(dim=1).mean()
# tensor(1.4689, grad_fn=<MeanBackward1>)
F.nll_loss(F.log_softmax(z, dim=1), y) # Negative Log Likelihood
# tensor(1.4689, grad_fn=<NllLossBackward>)
F.cross_entropy(z, y)
# tensor(1.4689, grad_fn=<NllLossBackward>)
Training with Low-level Cross Entropy Loss
최적화
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# |x_train| = (m, 차원 d = 4)
# |y_train| = (m,)
x_train = [[1, 2, 1, 1],
[2, 1, 3, 2],
[3, 1, 3, 4],
[4, 1, 5, 5],
[1, 7, 5, 5],
[1, 2, 5, 6],
[1, 6, 6, 6],
[1, 7, 7, 7]]
y_train = [2, 2, 2, 1, 1, 1, 0, 0] # one_hot 벡터로 나타내었을 때 1이 있는 위치의 index 값
x_train = torch.FloatTensor(x_train)
y_train = torch.LongTensor(y_train) # 우리는 이산 확률 분포를 근사하고있기 때문에 정수형인 LongTensor로 바꿔 준다
# 모델 초기화
W = torch.zeros((4, 3), requires_grad=True) # samples = 4, classes = 3, dim = 4
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD([W, b], lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
hypothesis = F.softmax(x_train.matmul(W) + b, dim=1) # logistic regression
y_one_hot = torch.zeros_like(hypothesis)
y_one_hot.scatter_(1, y_train.unsqueeze(1), 1)
cost = (y_one_hot * -torch.log(F.softmax(hypothesis, dim=1))).sum(dim=1).mean() # loss
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward() #backpropagation
optimizer.step() # w, b에 대해 lr = 0.1 one step Stochastic Gradient Descent
# 100번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
# Epoch 0/1000 Cost: 1.098612
# Epoch 100/1000 Cost: 0.901535
# Epoch 200/1000 Cost: 0.839114
# Epoch 300/1000 Cost: 0.807826
# Epoch 400/1000 Cost: 0.788472
# Epoch 500/1000 Cost: 0.774822
# Epoch 600/1000 Cost: 0.764449
# Epoch 700/1000 Cost: 0.756191
# Epoch 800/1000 Cost: 0.749398
# Epoch 900/1000 Cost: 0.743671
# Epoch 1000/1000 Cost: 0.738749
High-level Implementation
Training with F.cross_entropy
좀더 쉽게 구현하기
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# 모델 초기화
W = torch.zeros((4, 3), requires_grad=True)
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD([W, b], lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
z = x_train.matmul(W) + b # or .mm or @
cost = F.cross_entropy(z, y_train) # F.cross_entropy를 통해 바로 정답과 비교
# one hot 벡터를 만들어주는 과정이 생략되어 scatter는 필요없음
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward()
optimizer.step()
# 100번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
# Epoch 0/1000 Cost: 1.098612
# Epoch 100/1000 Cost: 0.761050
# Epoch 200/1000 Cost: 0.689991
# Epoch 300/1000 Cost: 0.643229
# Epoch 400/1000 Cost: 0.604117
# Epoch 500/1000 Cost: 0.568255
# Epoch 600/1000 Cost: 0.533922
# Epoch 700/1000 Cost: 0.500291
# Epoch 800/1000 Cost: 0.466908
# Epoch 900/1000 Cost: 0.433507
# Epoch 1000/1000 Cost: 0.399962
High-level Implementation with nn.Module
실전에 가깝게 더 쉽게 구현하기
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class SoftmaxClassifierModel(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
# 4 -> 3
# 4개의 input을 받아서 3개의 class에 대한 각각의 확률값
self.linear = nn.Linear(4, 3) # Output이 3!
def forward(self, x):
return self.linear(x) # |X| = (m, 4) => (m, 3)
model = SoftmaxClassifierModel()
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
# H(x) 계산
prediction = model(x_train) #|X-train| = (m, 4), |prediction| = (m, 4)
# cost 계산
cost = F.cross_entropy(prediction, y_train) # |y_train| = (m, )
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward()
optimizer.step()
# 20번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
# Epoch 0/1000 Cost: 1.849513
# Epoch 100/1000 Cost: 0.689894
# Epoch 200/1000 Cost: 0.609259
# Epoch 300/1000 Cost: 0.551218
# Epoch 400/1000 Cost: 0.500141
# Epoch 500/1000 Cost: 0.451947
# Epoch 600/1000 Cost: 0.405051
# Epoch 700/1000 Cost: 0.358733
# Epoch 800/1000 Cost: 0.312912
# Epoch 900/1000 Cost: 0.269521
# Epoch 1000/1000 Cost: 0.241922
Softmax Classification 은 Logistic Regression과 굉장히 유사
- Logistic Regression
- Binary Classification 에서 사용
- 두 가지 클래스(0과 1)만 존재하는 경우
- 예측된 확률이 0.5 이상이면 해당 클래스로 분류
- Binary Cross-Entropy 와 Sigmoid 함수 사용
- Softmax Classification
- Multi-class Classification 에서 사용
- 여러 개의 클래스가 존재할 때
- 출력 값은 각 클래스에 속할 확률
- Cross-Entropy 와 Softmax 함수 사용
Training Example
실습하기
Data
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xy **=** np**.**loadtxt('data-04-zoo.csv', delimiter**=**',', dtype**=**np**.**float32)
x_train = torch.FloatTensor(xy[:, 0:-1])
y_train = torch.LongTensor(xy[:, [-1]]).squeeze()
print(x_train.shape) # x_train shape
print(len(x_train)) # x_train 길이
print(x_train[:5]) # 첫 다섯 개
# torch.Size([101, 16])
# 101
# tensor([[1., 0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 4., 0., 0., 1.],
# [1., 0., 0., 1., 0., 0., 0., 1., 1., 1., 0., 0., 4., 1., 0., 1.],
# [0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 1., 0., 1., 0., 0.],
# [1., 0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 4., 0., 0., 1.],
# [1., 0., 0., 1., 0., 0., 1., 1., 1., 1., 0., 0., 4., 1., 0., 1.]])
torch.Size([101])
101
tensor([0, 0, 3, 0, 0])
# nb_classes = 7
# y_one_hot = torch.zeros((len(y_train), nb_classes))
# y_one_hot = y_one_hot.scatter(1, y_train.unsqueeze(1), 1)
Training with F.cross_entropy
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# 모델 초기화
W = torch.zeros((16, 7), requires_grad=True)
b = torch.zeros(1, requires_grad=True)
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD([W, b], lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
# Cost 계산 (2)
z = x_train.matmul(W) + b # or .mm or @
cost = F.cross_entropy(z, y_train)
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward()
optimizer.step()
# 100번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
High-level Implementation with nn.Module
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class SoftmaxClassifierModel(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.linear = nn.Linear(16, 7)
def forward(self, x):
return self.linear(x)
model = SoftmaxClassifierModel()
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
# H(x) 계산
prediction = model(x_train)
# cost 계산
cost = F.cross_entropy(prediction, y_train)
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward()
optimizer.step()
# 20번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
전체 코드
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import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
# 모델 class
class SoftmaxClassifierModel(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.linear = nn.Linear(16, 7)
def forward(self, x):
return self.linear(x)
# 데이터
xy = np.loadtxt('data-04-zoo.csv', delimiter=',', dtype=np.float32)
x_train = torch.FloatTensor(xy[:, 0:-1])
y_train = torch.LongTensor(xy[:, [-1]]).squeeze()
# 모델 초기화
model = SoftmaxClassifierModel()
# For reproducibility
torch.manual_seed(1)
# optimizer 설정
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
nb_epochs = 1000
for epoch in range(nb_epochs + 1):
# H(x) 계산
prediction = model(x_train)
# cost 계산
cost = F.cross_entropy(prediction, y_train)
# cost로 H(x) 개선
optimizer.zero_grad()
cost.backward()
optimizer.step()
# 20번마다 로그 출력
if epoch % 100 == 0:
print('Epoch {:4d}/{} Cost: {:.6f}'.format(
epoch, nb_epochs, cost.item()
))
# Epoch 0/1000 Cost: 2.167349
# Epoch 100/1000 Cost: 0.478046
# Epoch 200/1000 Cost: 0.322867
# Epoch 300/1000 Cost: 0.249685
# Epoch 400/1000 Cost: 0.204888
# Epoch 500/1000 Cost: 0.174191
# Epoch 600/1000 Cost: 0.151702
# Epoch 700/1000 Cost: 0.134461
# Epoch 800/1000 Cost: 0.120799
# Epoch 900/1000 Cost: 0.109696
# Epoch 1000/1000 Cost: 0.100488
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